TCU2019WS_具备高性能采光属性的建筑形体优化（含自遮阳)_B_3W
B小组成员：1601010214 肖荔 1601010215 张珂宇 1601010217 刘欣蕊 1601010208 哈尔贝 胡山 1522050110 武子建
一．案例
我们分析老师上周作业的评价，这周将分析具体到建筑形体对采光的影响上。首先我们找来相关案例学习了解。
形体向阳拓扑——增大体型采光面
案例：嫩芽大厦
通过推拉和扭曲处理将一个大体量的建筑转变为三个相对较小体量建筑所构成的整体，同时通过扭转处理实现建筑整体形态的北高南低，从而充分扩大了建筑的环境接触面，将原本只有四个采光面的建筑转变为拥有十二个方向的自然采光面的建筑，极大提升了建筑的采光效率并实现了更好的视线效果和日照效果。
案例：扭曲大厦
运用一套可控的太阳能系统，随着建筑高度的上升，大厦的每一层随太阳旋转一定角度，建筑外立面太阳能板随着造型进行排列组合，大厦的所有旋转和扭曲都卫视建筑表面尽可能多的面向太阳，角度大约为30度，通过将大厦转动扭曲迎合太阳的光的照射角度，使得建筑内布能够得到最大采光。
二．建筑形体优化实验思路：
优化对象：办公建筑
优化算法：
在使用计算机辅助设计的方式求得多层办公建筑天然采光最优解的过程中，需要借助于优化算法来对得出的建筑形体及天然采光数值进行优化。
建筑领域中常用的智能优化算法包括遗传算法、模拟退火算法等。遗传算法的特点为全局搜索能力较强、相对而言则局部搜索能力较弱，后期搜索效率较低，增加优化阶段的时间长度，且初始种群的优劣对求解过程中的收敛性及优化结果的质量有一定影响。模拟退火算法可以将搜索过程中变化的建筑形体想象成固体中的粒子运动，在变形和计算中求解最优解得到最利于天然采光的建筑形体的过程。模拟退火算法的特点为采用单个个体进行优化，且能以一定概率接纳较差解而具有跳出局部最优解的能力，计算过程相对简单、但后期收敛速度较慢。遗传算法与模拟退火算法均能在Grasshopper平台的Galapagos运算器中进行计算。Octopus同样作为Grasshopper平台中的运算器插件，可以在Grasshopper中被良好应用。同单目标优化算法相比，Octopus可以设计寻优多个目标Fitness值，适用于解决更为复杂的求最优解的问题。该计算方法的特点为用户可自定义多个优化目标，因而寻优解决问题更为综合、全面，且操作界面简洁，可操作设置参数多样、易用性较强，优化过程中会得到一部分性能符合要求的较优解。
三．实验思路：
1、模型分类
我们将实验划分为以回字形嵌入式庭院为原形的４类模型，这四类模型在变形中均保持其内庭院建筑的属性不变，并将天然采光的影响反馈、融入到建筑形态的设计过程中。
2、建筑外轮廓形态
将实验变量设定为建筑形体外轮廓形式及庭院形态的变化，之所以这样分类，是出于从天然采光的性能出发，结合建筑用地边界线形态、常用建筑形态及庭院作用的综合考虑。
我们通过建筑形体设计达到良好的采光性能为目的进行找形，建筑形态决定了其内部空间接触到室外光线的表面积，当建筑外轮廓形式改变时，既可以改变侧窗的朝向以达到舒适的采光量，也能够通过建筑自组织形式避免产生遮挡及不利的阴影，从而达到优化采光性能的目的，因而尝试通过改变建筑外轮廓的形态来研究其对建筑采光的影响有一定意义。
3、庭院形态
通过研读论文，发现办公类建筑采光的设计中多数对中庭进行了改造优化，我们拟做中庭形态的一些实验研究，对庭院形式的考虑通过分类、定量实验进行研究，该实验使用回字形嵌入式庭院建筑为原型，以分类、定量分析的方式研究庭院剖面形式的变化对建筑室内光环境的影响趋势，以及何种尺度的庭院更利于建筑的天然采光。
四、形体生成
通过控制点的方式，连点成线，这些边线可以是垂直的也可以是倾斜的，将这种灵活的空间造型语言、构筑方式通过计算机编程与运算的方法使其成为塑造建筑形体、达到性能优化目标的手法。利用Rhino和Grasshopper通过改变输入的参数即可便利的生成一系列变化的建筑形体。
我们找到天津中钢国际广场项目作为通过参数化改变建筑形体的案例说明形体生成的点线关系。建筑的设计概念就是要将建筑形态、结构受力统一起来，符号学上再同“蜂巢”的六边形进行联系。建筑外表皮的六边形采光口一共有 5 种尺寸，尺寸的确定是根据对环境的分析，运用软件得出使采光最优化方案。
塔楼部分建模采用 Rhino 这个曲面建模工具，将其转换成 SAT 格式，然后导进Revit 做体量模型。 这个程序的逻辑：以点到曲线的距离作为控制半径的依据，通过数学方法，点到曲线的垂线距离从小到大依次渐变，得到的图形即是渐变的过程，最后得到的整体图案就是一个从小到大的渐变效果。
（图片来源：知网）
根据对数据的分析，运用grasshopper可以从一个理念逻辑得到更多的形态
(图片来源：知网）
五、采光模拟
对生成的多个建筑形体进行天然采光的模拟，在模拟时需设定评价标准、天空类型及具体的计算时间点并采光系数及照度作为评价标准。采用春分、夏至、秋分、冬至日多个时间点的模拟方式进行办公建筑采光模拟。采光模拟借助插件Radiance进行。
六、形体优化
应用Galapagos面板中的遗传算法进行优化，将生成过程中的建筑外轮廓线X、Y的尺度及庭院控制点的移动范围连接在Genome端，将DIVA分析得出的各网格数值平均值乘以相应适度值N连接在Fitness端，以该数值在小于3000时的最大值为目标进行建筑形体的优化。
七、选择地块
高层办公类：优化建筑选在原址为天津金融街和平中心。保留原来建筑作为办公室的性质。针对此地进行办公建筑的优化
低层住宅类：宿舍选地位为南开大学学生宿舍第21栋，选地西侧为学生活动中心，东侧同样是学生宿舍。北面为天大六村小区住宅，在住宅楼和选地之间为停车场。在此基础上，保留建筑原有性质，依然作为宿舍，进行优化。
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